不同結(jié)構(gòu)類型的全透水瀝青路面長(zhǎng)期性能分析

封雅宏， 袁博， 許斌，白子玉， 石鑫

(1.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司, 河北 石家莊 050000； 2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心;3.中路高科(北京)公路技術(shù)有限公司； 4.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

1 研究現(xiàn)狀

德國(guó)于20世紀(jì)50年代首次鋪筑透水路面以解決林蔭道上樹木灌溉問(wèn)題。20世紀(jì)60年代起德國(guó)開始鋪筑大孔隙透水瀝青路面，并觀測(cè)其實(shí)用性，最終形成“透水性瀝青混合料施工技術(shù)指南”。70年代，一些歐洲國(guó)家在部分輕交通道路上開始使用透水路面。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)的The Franklin Institute Research Laboratories開始研究透水性路面，并首先將其應(yīng)用于停車場(chǎng)。從70年代起，美國(guó)開始在各大城市陸續(xù)修筑透水路面。2000年，美國(guó)國(guó)家瀝青路面技術(shù)中心(NCAT)提出了一套透水路面配合比設(shè)計(jì)方法。在歐洲，荷蘭與丹麥對(duì)雙層透水性瀝青路面進(jìn)行了一系列研究，研究出一套雙層透水路面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在保持透水性能良好的同時(shí)，還起到改善路面孔隙被堵塞的作用。日本于20世紀(jì)80年代開始推行“雨水滲透計(jì)劃”。日本的透水路面主要應(yīng)用于公園、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)及城市道路等地。日本應(yīng)用在城市內(nèi)的透水性道路結(jié)構(gòu)主要形式為半透式透水瀝青路面，即面層和基層為目標(biāo)空隙率20%左右的透水瀝青混凝土，下基層采用3%～6%的密級(jí)配瀝青混凝土。

透水路面在中國(guó)的起步較晚，自20世紀(jì)80年代起開始在多地修筑透水鋪裝試驗(yàn)路，但在瀝青性能、氣候等多種因素的影響下，這些試驗(yàn)路并未能取得成功。1996年，姚祖康等在廣東茂名修筑了透水路面試驗(yàn)段；2003年，何慧斌在保證透水水穩(wěn)基層的透水性及強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量試驗(yàn)確定了干密度、水泥用量及水灰比的取值范圍；2005年，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院研發(fā)出了專用于透水瀝青路面的高黏高彈改性劑HVA以及生產(chǎn)高黏高彈改性瀝青的“干拌工藝”；自2010年起，李輝等對(duì)全透水路面進(jìn)行了多方面的研究，如對(duì)全透水瀝青路面和混凝土路面的實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)計(jì)算機(jī)建模來(lái)分析全透水路面的性能，以及開發(fā)新的設(shè)計(jì)方法以進(jìn)行結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)等。

近20年來(lái)，中國(guó)一些大中城市開始陸續(xù)應(yīng)用透水路面。廣州于2006年修建了一段透水鋪裝試驗(yàn)路，采用綜合透水系統(tǒng)，使得部分路面積水可直接滲入地下，其余部分通過(guò)透水系統(tǒng)進(jìn)行收集和排放；2008年，中國(guó)在寧杭高速公路二期工程中修筑了長(zhǎng)約20.7 km的透水路面試驗(yàn)段。隨后，透水瀝青路面在江西永武高速公路、安徽宣寧高速公路、四川遂資高速公路、石家莊東三環(huán)以及石家莊和平西路等其他省份的項(xiàng)目上也逐漸得到大范圍應(yīng)用。

該文以實(shí)際工程應(yīng)用為基礎(chǔ)，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)類型的全透水瀝青路面進(jìn)行長(zhǎng)期性能觀測(cè)，以判斷其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

2 路面結(jié)構(gòu)與材料

2.1 路面結(jié)構(gòu)

全透水瀝青路面的面層主要由大空隙透水瀝青混合料組成，路面層結(jié)構(gòu)形式可以分為單層透水瀝青面層、雙層透水瀝青面層。透水瀝青路面面層的形式主要受道路等級(jí)以及氣候、自然環(huán)境的影響。若采用單層透水瀝青路面的形式，則其厚度設(shè)計(jì)值可為40～50 mm。若采用雙層或多層的透水瀝青路面，則上層的厚度應(yīng)小于下層的厚度，上層的最大公稱粒徑也應(yīng)小于下層的最大公稱粒徑，如上面層采用PAC-13的結(jié)構(gòu)形式，其厚度為40～50 mm，下面層采用PAC-20的結(jié)構(gòu)形式，其厚度為50～60 mm。

該文所述的全透水瀝青路面采用了兩種結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)1為4 cmPAC-13透水瀝青混合料上面層+6 cmPAC-20透水瀝青混合料下面層+18 cm多孔水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm級(jí)配碎石底基層；結(jié)構(gòu)2為4 cm PAC-13透水瀝青混合料上面層+6 cm PAC-20透水瀝青混合料下面層+18 cm多孔水泥混凝土基層+20 cm多孔水泥穩(wěn)定碎石底基層。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)圖

2.2 材料

2.2.1 原材料

(1) 瀝青。采用透水瀝青專用高黏度改性瀝青，其性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 透水瀝青路面專用高黏度改性瀝青檢測(cè)結(jié)果

(2) 粗集料。面層混合料中的粗集料采用玄武巖，基層混合料中的粗集料采用石灰?guī)r，對(duì)其技術(shù)指標(biāo)及性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表2、3。

(3) 細(xì)集料。采用的細(xì)集料其各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表4。

(4) 礦粉。礦粉的各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果見表5。

(5) 水泥。采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，其結(jié)果見表6。

表2 石灰?guī)r檢測(cè)結(jié)果

表3 玄武巖檢測(cè)結(jié)果

表4 細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 透水瀝青混合料

上下面層分別采用PAC-13和PAC-20，其合成級(jí)配如表7所示，性能檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示。其油石比分別為4.6%和4.5%。

2.2.3 多孔水泥混凝土

多孔水泥混凝土的級(jí)配方案如表9所示，其水灰比為0.40，灰集比為1∶8。

表5 礦粉檢測(cè)結(jié)果

表6 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥檢測(cè)結(jié)果

此時(shí)，其空隙率為23.6%，連通空隙率為19.3%，28 d彎拉強(qiáng)度和7 d抗壓強(qiáng)度分別為1.50和8.14 MPa；相應(yīng)的28 d抗彎拉模量和7 d抗壓彈性模量為1.43×104MPa和2.53×104MPa。

2.2.4 多孔水泥穩(wěn)定碎石

多孔水泥穩(wěn)定碎石的級(jí)配方案如表10所示，其水泥含量為6%。

此時(shí)，其滲水系數(shù)為3 614 mL/min，7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.37 MPa，最佳含水率為3.2%，最大干密度為2.251 g/cm3。

2.2.5 級(jí)配碎石

級(jí)配碎石的級(jí)配方案如表11所示，其含水量為3.3%。

表7 合成級(jí)配

表8 PAC-13、PAC-20透水瀝青混合料性能檢驗(yàn)結(jié)果

表9 多孔水泥混凝土級(jí)配

表10 多孔水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配

此時(shí)，其最大干密度為1.993 g/cm3，2.5 mmCBR強(qiáng)度值為115.8%，5 mmCBR強(qiáng)度值為114.1%，浸水試驗(yàn)2.5 mmCBR強(qiáng)度值為28.8%，5 mmCBR強(qiáng)度值為37.1%。

表11 級(jí)配碎石級(jí)配

3 長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩年多的性能觀測(cè)，觀測(cè)內(nèi)容為全透水瀝青路面的溫度、濕度及滲水性能，并通過(guò)傳感器采集得到了大量的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)兩種全透水路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集來(lái)對(duì)這種路面結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行分析驗(yàn)證。由于數(shù)據(jù)過(guò)多，將同類的所有數(shù)據(jù)放入一張圖中，會(huì)產(chǎn)生曲線重合或難以分辨不同層位曲線等問(wèn)題，故截取各時(shí)間段的代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的長(zhǎng)期性能分析。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)置在道路中線位置，且各結(jié)構(gòu)傳感器位于同一垂線上，每種結(jié)構(gòu)埋設(shè)溫濕度傳感器5個(gè)，垂直向土應(yīng)變計(jì)1個(gè)。檢測(cè)系統(tǒng)配置2臺(tái)主機(jī)，1套太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，共計(jì)埋設(shè)10個(gè)溫濕度傳感器，2個(gè)垂直向土應(yīng)變計(jì)。

溫濕度傳感器埋設(shè)采用挖槽法，開槽后將傳感器埋入并人工壓實(shí)，傳感器的信號(hào)線用大小相當(dāng)?shù)南鹉z管套住，以防止車輛荷載作用下碎石將信號(hào)線切斷。

垂直向土應(yīng)變計(jì)采用開槽埋設(shè)傳感器的方法。將土應(yīng)變計(jì)中，帶電纜的 “┴”部分，堵頭朝上埋入待壓實(shí)的土體中[圖2(a)]，并做好標(biāo)記方便壓實(shí)后尋找。施工完成后，刨開表層土，拆下堵頭取出測(cè)桿(注意：測(cè)桿不能互換)，安裝到土應(yīng)變計(jì)上半部中心，下半部裝入塑料[圖2(b)]保護(hù)套管，然后將上半部套入完成安裝。安裝完成后人工將上下兩片之間用土填滿夯實(shí)。

圖2 垂向土應(yīng)變計(jì)埋設(shè)過(guò)程

傳感器位置平面圖見圖3，溫濕度傳感器及主要部件見圖4。

4 長(zhǎng)期性能分析

4.1 溫度分析

圖5、6為全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)1溫度變化曲線圖，圖7、8為全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)2溫度變化曲線圖。

圖3 傳感器位置圖

圖4 傳感器圖片(單位：mm)

由圖5～8可以看出：兩種路面結(jié)構(gòu)的土基層溫度均保持平穩(wěn)的變化趨勢(shì)。而面層和上基層的溫度變化較大，且每天中午12：00左右會(huì)出現(xiàn)溫度峰值。氣溫較高時(shí)，路面上面層溫度高于下面層溫度，下面層溫度又高于基層溫度，層間溫差最高超過(guò)10 ℃，氣溫越高，溫差越大，且均高于底基層和土基的溫度。氣溫較低時(shí)，路面上面層溫度低于下面層溫度、下面層溫度低于基層溫度，層間溫差為3～5 ℃，且均低于底基層和土基的溫度。以2019年1月份的數(shù)據(jù)為例：觀察圖5、7的曲線走勢(shì)可以看出：結(jié)構(gòu)1的上面層在1月份夜間的最低溫度接近-10 ℃，各結(jié)構(gòu)層自上而下溫度逐漸變高，土基溫度接近0 ℃，而同時(shí)段結(jié)構(gòu)2的上面層最低溫度為-7 ℃左右，其余規(guī)律與結(jié)構(gòu)1相近，說(shuō)明溫度較低時(shí)，結(jié)構(gòu)2相比結(jié)構(gòu)1，其各結(jié)構(gòu)層反而能保持更高的溫度。

圖5 全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)1溫度變化曲線圖(2019年1月5日至3月30日)

圖6 全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)1溫度變化曲線圖(2019年5月10日至5月24日)

圖7 全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)2溫度變化曲線圖(2019年1月5日至3月30日)

圖8 全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)2溫度變化曲線圖(2019年5月10日至5月24日)

以圖9、10的2019年5月10日兩種路面結(jié)構(gòu)溫度變化為例：兩種結(jié)構(gòu)在一天內(nèi)的溫度變化趨勢(shì)基本相同，但二者的變化幅度略有差異。結(jié)構(gòu)1的日溫差幅度達(dá)到了35 ℃，而結(jié)構(gòu)2為30 ℃。兩種路面結(jié)構(gòu)均在05：00左右達(dá)到當(dāng)日最低溫度，此時(shí)結(jié)構(gòu)2的各層溫度比結(jié)構(gòu)1高約1 ℃；在14：00左右，兩種結(jié)構(gòu)達(dá)到當(dāng)日最高溫度，此時(shí)結(jié)構(gòu)2的上面層溫度比結(jié)構(gòu)1低約5 ℃，其他層溫度低1～3 ℃，說(shuō)明溫度較高時(shí)，結(jié)構(gòu)2有更好的降溫效果。

圖9 5月10日全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)1溫度變化曲線圖(2019年)

圖10 5月10日全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)2溫度變化曲線圖(2019年)

結(jié)合高溫、低溫兩種天氣下的數(shù)據(jù)分析，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)2相比結(jié)構(gòu)1，其溫度變化幅度較小，說(shuō)明其受外界氣溫變化的影響更小。

4.2 濕度分析

圖11、12分別為全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2濕度變化曲線圖。

圖11 5月10日至6月20日結(jié)構(gòu)1濕度變化曲線圖(2019年)

圖12 5月10日至6月20日結(jié)構(gòu)2濕度變化曲線圖(2019年)

由圖11、12可知：結(jié)構(gòu)1中土基、底基層、基層和下面層的濕度分別為26%、17%、13.5%和5.5%左右；結(jié)構(gòu)2中，分別為28%、9%、10.5%和5.5%左右?？梢钥闯觯簝煞N結(jié)構(gòu)的面層濕度基本保持一致，而基層和底基層濕度有較大差別，結(jié)構(gòu)2的底基層濕度相比結(jié)構(gòu)1降低了約47%，基層濕度降低了約22%，說(shuō)明結(jié)構(gòu)2的基層滲水、排水性能更好。圖11、12中各層位的濕度曲線均出現(xiàn)兩次突變，且突變時(shí)間與幅度相吻合，出現(xiàn)這種狀況的原因是當(dāng)時(shí)出現(xiàn)降雨天氣。同時(shí)可以看出：降雨后面層和基層濕度的變化幅度相近，而土基濕度只略有變化，說(shuō)明大部分水分在基層就被排出路面結(jié)構(gòu)之外，避免了其對(duì)土基可能造成的不利影響；在降雨結(jié)束后，路面各層的濕度很快恢復(fù)到降雨前的水平，這說(shuō)明全透水路面各結(jié)構(gòu)層均能有效排出降雨帶來(lái)的積水。

4.3 滲水性能分析

對(duì)全透水路面2018—2019年相同位置處的滲水系數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表12。

表12 2018—2019年滲水性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由表12可以看出：全透水瀝青路面經(jīng)過(guò)2年的使用，其滲水系數(shù)仍遠(yuǎn)大于技術(shù)規(guī)范的要求(≥3 600 mL/min)，且其滲水系數(shù)每年僅下降約5%，可以滿足長(zhǎng)期使用需要。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種全透水路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，得到路面結(jié)構(gòu)各層位溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析所收集的數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1) 所觀察的兩種全透水瀝青路面結(jié)構(gòu)，在道路通車兩年后均未觀察到路面損壞，結(jié)合原材料及混合料的性能檢驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明這兩種結(jié)構(gòu)都具有良好的路用性能，滿足使用要求。

(2) 兩種路面結(jié)構(gòu)的土基層溫度均保持平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，而面層和上基層的溫度變化較大。氣溫較高時(shí)，路面上面層溫度高于下面層溫度高于基層溫度，層間溫差最高超過(guò)10 ℃，氣溫越高，溫差越大，且均高于底基層和土基的溫度。氣溫較低時(shí)，路面上面層溫度低于下面層溫度低于基層溫度，層間溫差為3～5 ℃，且均低于底基層和土基的溫度。

(3) 氣溫較高時(shí)，結(jié)構(gòu)2面層最高溫度相比結(jié)構(gòu)1低3～5 ℃；氣溫較低時(shí)，結(jié)構(gòu)2面層最低溫度相比結(jié)構(gòu)1高約3 ℃，說(shuō)明結(jié)構(gòu)2受外界氣溫變化的影響更小。

(4) 結(jié)構(gòu)2的底基層濕度相比結(jié)構(gòu)1降低了約47%，基層濕度降低了約22%，其他層位濕度相近；遇降雨天氣，面層和基層的濕度變化幅度相近，而土基濕度只是略有變化，說(shuō)明大部分水分在基層就被排出路面結(jié)構(gòu)之外，避免了其對(duì)土基可能造成的不利影響；在降雨結(jié)束后，路面各層的濕度很快恢復(fù)到降雨前的水平，說(shuō)明全透水路面各結(jié)構(gòu)層均能有效排出降雨帶來(lái)的積水。

(5) 全透水瀝青路面的滲水系數(shù)每年降低約5%，使用兩年后其滲水系數(shù)仍遠(yuǎn)大于技術(shù)規(guī)范的要求，說(shuō)明兩種結(jié)構(gòu)的全透水瀝青路面的滲水性能均能滿足長(zhǎng)期使用的需要。

(6) 根據(jù)分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)2受外界氣溫變化的影響更小，其基層與底基層排水能力更強(qiáng)，因此選擇結(jié)構(gòu)2為推薦的工程設(shè)計(jì)方案，即4 cm PAC-13+6 cm PAC-20+18 cm多孔水泥混凝土+20 cm多孔水泥穩(wěn)定碎石。